KR100900602B1 - 동기 기계용 로터 및 초전도 코일 권선 차폐 방법 - Google Patents

동기 기계용 로터 및 초전도 코일 권선 차폐 방법 Download PDF

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Abstract

로터 코어와, 로터 코어의 적어도 일 부분 둘레로 연장되며 로터 코어의 대향 측면상에서 한 쌍의 측면 섹션을 갖는 초전도 코일 권선과, 로터 코어 둘레에서 코일 권선을 덮는 전도성 차폐체를 포함하는 동기 기계용 로터가 개시된다.

Description

동기 기계용 로터 및 초전도 코일 권선 차폐 방법{HIGH TEMPERATURE SUPER-CONDUCTING SYNCHRONOUS ROTOR HAVING AN ELECTROMAGNETIC SHIELD AND METHOD FOR ASSEMBLY}
도 1은 초전도 로터 및 스테이터를 갖는 동기 전기 기계의 개략적인 측면도,
도 2는 예시적인 레이스트랙 초전도 코일 권선의 사시도,
도 3 내지 도 6은 고온 초전도(HTS) 로터의 구성요소의 분해도,
도 7 내지 도 10은 로터용 전자기 차폐체의 다른 실시예의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 동기 기계 12 : 스테이터
14 : 로터 16 : 스테이터내의 로터 공동
18 : 자기장 19 : 스테이터 권선
20 : 축선 22 : 로터 코어
24 : 컬렉터 단부 샤프트 25 : 베어링
26 : 이송 커플링 30 : 로터의 구동 단부 샤프트
32 : 동력 커플링 34 : 코일 권선
36 : 고온 초전도 코일 38 : 냉각 통로
40 : 측면 섹션 42 : 인장 로드
44 : 코일 하우징 46 : 도관
56 : 로터 코어 단부 78 : 컬렉터 링
본 발명은 일반적으로 동기 회전 기계에서의 초전도 코일에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명은 초전도 계자 권선을 갖는 로터용의 전자기 차폐체에 관한 것이다.
계자 코일 권선을 구비하는 동기 전기 기계는, 회전 발전기, 회전 모터 및 리니어 모터를 포함하나, 이에 한정되지는 않는다. 일반적으로, 이들 기계는 전자기적으로 결합된 스테이터 및 로터를 포함한다. 로터는 다극 로터 코어 및 이 로터 코어상에 장착된 하나 또는 그 이상의 코일 권선을 포함할 수 있다. 로터 코어는 철심(iron-core) 로터 등의 자기적으로 투자 가능한 솔리드 재료를 포함할 수 있다.
종래의 구리 코일 권선은 통상 동기 전기 기계의 로터에 사용된다. 그러나, (통상적인 측정에 의해서는 낮을 지라도) 구리 코일 권선의 전기 저항은 로터의 실질적인 가열의 원인이 되기에 충분하고, 기계의 전력 효율을 저하시키기에 충분하 다. 최근에, 초전도(super-conducting; SC) 코일 권선이 로터용으로 개발되었다. SC 코일 권선은 사실상 전혀 저항이 없으며, 로터 코일 권선에 매우 유리하다.
철심 로터는 약 2테슬라(Tesla)의 공극 자기장 강도에서 포화된다. 공지된 초전도 로터는 3테슬라 이상의 공극 자기장을 이루도록 로터에 철을 갖지 않는 공심(air-core) 설계를 이용한다. 이러한 높은 공극 자기장은 전기 기계의 전력 밀도를 증가시키며, 그에 따라 기계의 중량 및 크기를 상당히 감소시킨다. 공심 초전도 로터는 다량의 초전도 와이어를 필요로 한다. 다량의 SC 와이어는 필요한 코일의 개수, 코일 지지체의 복잡성 및 SC 코일 권선과 로터의 비용을 추가시킨다.
고온 SC 코일 계자 코일 권선은 취성을 갖는 초전도 재료로 형성되며, 초전도성을 달성하고 유지하기 위해 임계 온도(예를 들면, 27。K) 또는 그 이하의 온도로 냉각되어야 한다. SC 코일 권선은 BSCCO(BixSrxCaxCuxO x)계 도체 등의 고온 초전도 재료로 형성될 수 있다.
초전도 코일은 액체 헬륨에 의해 냉각된다. 로터의 코일 권선을 통과한 후에, 사용된 고온의 헬륨은 실온의 가스 헬륨으로서 회수된다. 저온(cryogenic) 냉각용으로 액체 헬륨을 사용하면, 회수된 실온의 가스 헬륨의 연속적인 재액화가 필요하며, 그러한 재액화는 상당한 신뢰성 문제를 가지며, 상당한 보조 전력을 필요로 한다.
종래의 SC 코일의 냉각 기술은 저온 냉각기로부터 솔리드 전도 경로를 통해 에폭시 함침 SC 코일을 냉각하는 것을 포함한다. 대안적으로, 로터내의 냉각 튜브 는 액체 및/또는 가스 냉각제(cryogen)의 유동내에 침적된 SC 코일 권선에 액체 및/또는 가스 냉각제를 운반할 수 있다. 그러나, 침적 냉각은 전체 계자 코일 권선 및 로터 구조체가 저온으로 될 필요가 있다. 결과적으로, 철은 저온에서의 철의 취성 때문에 로터 자기 회로에 전혀 사용될 수 없다.
예를 들어 공지된 초전도 로터의 공심 및 액체 냉각 초전도 계자 코일 권선 조립체의 단점을 갖지 않는 전기 기계용 초전도 계자 코일 권선 조립체가 요구된다.
또한, 고온 초전도(HTS) 코일은 큰 굽힘 및 인장 변형으로부터의 열화에 민감하다. 이들 코일은 코일 권선에 응력 및 변형을 가하는 상당한 원심력을 받는다. 전기 기계의 정상 작동은 몇 년 동안에 걸친 수천회의 시동 및 정지 사이클을 수반하며, 이것이 로터의 저 사이클 피로 하중을 발생시킨다. 더욱이, HTS 로터 권선은 로터 밸런싱 과정 동안에 실온에서 25% 과속 작동을 견딜수 있어야 하며, 그럼에도 불구하고 발전 작동 도중 저온에서 가끔의 과속 조건을 견딜 수 있어야 한다. 이들 과속 조건은 코일 권선상의 원심력 부하를 정상 작동 조건 이상으로 실질적으로 증가시킨다.
전기 기계의 HTS 로터 계자 권선으로 사용되는 SC 코일은 저온 및 정상 작동 동안에 응력 및 변형을 받는다. 이들은 원심 하중, 토크 전달 및 과도 고장 조건을 받는다. 힘, 응력, 변형 및 주기적 하중에 견디기 위해, SC 코일은 코일 지지 시스템에 의해 로터내에 적절하게 지지되어야 한다. 이들 코일 지지 시스템은 SC 코일을 HTS 로터내에 유지하며, 로터의 회전으로 인한 극심한 원심력에 대해 코일 을 고정한다. 더욱이, 코일 지지 시스템은 SC 코일을 보호하며, 코일이 조기에 균열, 피로 또는 파손되지 않도록 한다.
SC 코일을 HTS 로터에 적용하는 점에 있어서, HTS 코일용 지지 시스템의 개발이 어려운 문제였다. 이미 제안된 HTS 로터용 코일 지지 시스템의 예가 미국 특허 제 5,548,168 호, 미국 특허 제 5,532,663 호, 미국 특허 제 5,672,921 호, 미국 특허 제 5,777,420 호, 미국 특허 제 6,169,353 호 및 미국 특허 제 6,066,906 호에 개시되어 있다. 그러나, 이들 코일 지지 시스템은, 고가이고 복잡하며, 과도한 수량의 구성요소를 필요로 하는 등의 여러 문제를 갖는다. SC 코일용 코일 지지 시스템을 구비한 HTS 로터에 대한 필요성이 오랫동안 있어 왔다. 또한, 코일 지지 시스템을 저비용으로 제조하고, 구성요소를 용이하게 조립하는데 대한 필요성이 존재한다.
HTS 계자 코일 권선에 대한 구조적인 지지가 SC 코일을 로터내에 합체하는데 주된 문제였다. 권선에 실질적으로 열을 전도시키지 않고 SC 코일 권선을 지지하는 구조이어야 한다. 코일 지지체의 구조는 로터 코어로부터 냉각된 SC 권선으로 전도되는 열의 양을 감소시키도록 최소로 되어 왔다. 그러나, 코일 지지체를 최소로 함으로써 지지체가 견디는 힘의 수준 또한 제한된다. 로터상에 작용하는 힘이 코일 지지체의 힘 지탱 능력을 넘어서면, 코일 지지체가 부서지거나 또는 코일 권선이 손상되는 실질적인 위험이 있다.
로터상에 작용하는 힘의 잠재적 원인은 격자 결함(grid fault)에서 기인하는 토크이다. 고온 초전도(HTS) 발전기는 전기적 격자 결함을 받기 쉬운 계자 권선 SC 코일을 갖는다. 격자 결함은 기계의 스테이터가 결합되는 전력 시스템 격자내의 전류 스파이크이다. 격자 결함 조건 하에서는 과도한 전류가 스테이터내에 흐른다. 이러한 전류가 강력한 일시적인 자속을 로터 계자 권선 코일에 유발하는 스테이터 권선내의 전기 교란을 일으킨다.
로터 계자 권선 코일내로 일시적 자기장이 침투함으로써 잠재적으로 로터 코일 권선상에 현저한 토크 힘이 발생하고 초전도성을 잃게 할 수 있는 초전도 계자 권선내의 히스테리시스 및 와전류 가열(교류 손실)을 유발한다. 또한, 이러한 외부적인 자기장 침투를 감소시킴으로써 초전도체내의 교류(AC) 손실을 감소시킬 것이고 로터 계자 권선의 초전도 상태를 보존할 것이다. 로터상에 작용하는 힘을 최소로 함으로써 코일 지지 시스템의 구조의 감소가 가능하다. 그리드 폴트로 인한 로터 토크 및 로터를 둘러싸는 전자기 계자에서의 다른 외부적 변동을 감소시킴으로써 코일 지지 구조체를 최소로 하는 것이 가능하다.
로터를 차폐시킴으로써 스테이로부터의 자속이 로터와 간섭하는 것이 방지된다. 로터 계자 권선 코일이 양호하게 차폐되지 않는다면, 코일 지지체는 결함 토크를 지지하도록 강화되어야 한다. 전자기(electromagnetic; EM) 차폐체는 스테이터 자속이 로터에 침투하는 것을 방지하며, 이는 종래의 기계보다 초전도 기계에서 보다 중요하다.
EM 차폐체는 로터 코어의 거의 전체 표면을 덮는다. 원통형 차폐체 형상이 로터에 전자기 보호를 제공하는데 유용하다. EM 차폐체는 또한 SC 코일에 대한 진공 경계로서 작용한다. 이 경계가 SC 코일 권선 둘레에 진공을 확립한다. EM 차폐체는 구리 또는 알루미늄 같은 고 전기 전도성 재료로 이루어질 수 있다.
HTS 로터는 원래 SC 코일을 구비하도록 설계된 동기 기계일 수 있다. 변형예로서, HTS 로터는 종래의 발전기와 같은 기존의 전기 기계에서의 구리 코일 로터를 대체할 수 있다. 로터와 그 SC 코일은 본 명세서에서 발전기의 관점에서 설명되어 있으나, HTS 코일 로터는 또한 다른 동기 기계에 사용하기에 적합하다.
코일 지지 시스템은 코일 지지 시스템을 코일과 로터에 합체시키는데 유용하다. 또한, 코일 지지 시스템은 최종 로터 조립 전에 코일 지지 시스템, 코일 및 로터의 용이한 사전 조립을 쉽게 한다. 사전 조립함으로써 코일과 로터의 조립 시간이 감소되고, 코일 지지 품질이 향상되며, 코일 조립에서의 변동성이 감소된다.
제 1 실시예에 있어서, 본 발명은, 로터 코어와; 로터 코어의 적어도 일 부분 둘레로 연장되며 상기 로터 코어의 대향 측면상에 한 쌍의 측면 섹션을 갖는 초전도 코일 권선과; 로터 코어 둘레에서 상기 코일 권선을 덮는 전도성 차폐체를 포함하는, 동기 기계용 로터이다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 코일 권선과 로터 코어를 조립하는 단계와; 코어의 단부를 코어와 동측으로 정렬된 단부 샤프트의 칼라에 부착하는 단계와; 전도성 차폐체를 로터 코어 둘레에 설치하는 단계로서, 차폐체가 각각의 칼라위에 겹쳐지는 상기 설치 단계를 포함하는, 동기 기계의 로터 코어상의 초전도 코일 권선을 차폐하는 방법이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 로터의 종방향 축에 수직인 도관을 갖는 로터 코어와; 로터의 종방향 축에 평행한 평면의 레이스트랙 형상인 레이스트랙형 초전도(SC) 코일 권선과; 코어의 도관 내부의 인장 로드와; 코일 권선을 인장 로드에 결합하는 하우징과; 로터 코어 둘레의 전자기 차폐체를 포함하는 동기 기계용 로터이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 스테이터(12) 및 로터(14)를 구비한 예시적인 동기 기계(10)를 도시한다. 로터는 스테이터의 원통형 진공 로터 공동(16) 내측에 끼워맞춰지는 계자 코일 권선 코일(field winding coil)을 포함한다. 로터는 스테이터의 로터 진공 공동 내측에 끼워맞춰진다. 로터가 스테이터내에서 회전할 때, 로터 및 로터 코일에 의해 발생된 자기장(18)(점선으로 도시됨)은 스테이터를 통해 이동/회전하며, 스테이터 코일의 스테이터 권선(19)에 전류를 생성한다. 이러한 전류는 발전기에 의해 전력으로서 출력된다.
로터(14)는 대체로 종방향으로 연장하는 축선(20) 및 대체로 솔리드의 로터 코어(22)를 구비한다. 솔리드 로터 코어(22)는 높은 자기 투자율을 가지며, 철 등의 강자성 재료로 보통 제조된다. 낮은 전력 밀도의 초전도 기계에 있어서, 로터의 철심은 기자력(MMF; magnetomotive force)을 저감시키는데 사용되며, 따라서, 코일 권선에 요구되는 초전도(SC) 코일 와이어의 양을 최소로 한다. 예를 들면, 솔리드 철-로터 코어는 약 2테슬라의 공극 자기장 강도에서 자기적으로 포화될 수 있다.
로터(14)는 종방향으로 연장하고 레이스트랙 형상인 적어도 하나의 고온 초전도(HTS) 코일 권선(34)을 지지한다(도 2 참조). 변형예로서 HTS 코일 권선은 새들(saddle) 형상일 수 있거나 특정 HTS 로터 형태에 적합한 다른 형상을 가질 수 있다. 코일 지지 시스템은 본 명세서에서 단식 레이스트랙 SC 코일 권선에 대하여 개시된다. 코일 권선 시스템은 솔리드 로터 코어상에 장착된 레이스트랙형 코일 이외에 다른 코일 구조에도 적합할 수 있다.
로터는 로터 코어(22)를 받치고 베어링(25)에 의해 지지되는 한 쌍의 단부 샤프트(24, 30)를 구비한다. 컬렉터 단부 샤프트(24)는 회전하는 SC 코일 권선에 전기적으로 접속하기 위한 컬렉터 링(78)을 구비할 수 있다. 컬렉터 단부 샤프트는 또한 로터내의 SC 코일 권선을 냉각하는데 사용되는 저온 냉각 유체의 공급원에 결합된 냉각제 이송 커플링(26)을 포함한다. 이 냉각제 이송 커플링(26)은 냉각제 냉각 유체의 공급원에 결합된 고정 세그먼트와, HTS 코일에 냉각 유체를 제공하는 회전 세그먼트를 구비한다. 로터의 구동 단부 샤프트(30)는 동력 터빈에 의해 동력 커플링(32)을 통해 구동될 수 있다.
도 2는 예시적인 HTS 레이스트랙 계자 코일 권선(34)을 도시한다. 로터의 SC 계자 코일 권선(34)은 고온 초전도(SC) 코일(36)을 포함한다. 각 SC 코일은 고형 에폭시 함침식 코일 권선 합성물로 적층된 BSCCO(BixSrxCaxCuxOx) 도체 와이어 등의 고온 초전도 도체를 포함한다. 예를 들면, 일련의 BSCCO 2223 와이어는 고형 에폭시 함침 코일내로 적층되고 서로 접착되어 코일 권선된다.
SC 와이어는 취성을 가지며, 손상되기 쉽다. 전형적으로, SC 코일은 에폭시 함침된 층 코일 권선 SC 테이프이다. SC 테이프는 정밀한 치수 공차를 달성하도록 정밀 코일 형태로 감싸진다. 이 SC 테이프는 레이스트랙 SC 코일(36)을 형성하도록 나선형으로 감겨진다.
레이스트랙 코일의 치수는 로터 코어의 치수에 좌우된다. 일반적으로, 각 레이스트랙 SC 코일은 로터 코어의 대향 단부에서 자극을 둘러싸며, 로터 축선에 평행하다. 코일 권선은 레이스트랙 둘레에 연속적으로 이어져 있다. SC 코일은 무저항 전류 경로를 로터의 둘레에 그리고 코어의 자극 사이에 형성한다. 코일은 코일을 컬렉터 링(78)에 전기적으로 접속하는 전기 접점(114)을 구비한다.
코일 권선(34)에는 저온 냉각 유체용 유체 냉각 통로(38)가 제공된다. 이들 통로는 SC 코일(36)의 외측 에지 둘레로 연장될 수 있다. 통로는 저온 냉각 유체를 코일에 제공하며, 코일로부터 열을 제거한다. 냉각 유체는 코일내에 전기 저항이 없는 초전도 상태를 조성하는데 요구되는 SC 코일 권선에서 저온(즉, 27。K)을 유지한다. 냉각 통로는 로터 코어의 일단부에서 공급 및 배출 유체 포트(39, 41)를 구비한다. 이들 유체(가스) 포트(39, 41)는 SC 코일상의 유체 냉각 통로(38)를 냉각제 이송 커플링(26)에 연결한다.
각 HTS 레이스트랙 코일 권선(34)은 로터 축선(20)에 평행한 한쌍의 대체로 직선형의 측면 섹션(40)과, 로터 축선에 수직인 한쌍의 단부 섹션(54)을 구비한다. 코일의 측면 섹션이 가장 큰 원심 응력을 받는다. 따라서, 측면 섹션은 코일상에 작용하는 원심력에 반작용하는 코일 지지 시스템에 의해 지지된다.
도 3은 로터 코어(22)와 고온 초전도 코일용의 코일 지지 시스템의 분해도이다. 코일 지지 시스템은 U자형 채널 하우징에 연결되는 인장 로드(42)를 구비한다. 하우징은 로터내의 코일 권선(34)의 측면 섹션(40)을 유지하고 지지한다. 하나의 인장 로드와 채널 하우징이 도 3에 도시되어 있지만, 코일 지지 시스템은 일반적으로 각 로드의 양 단부에 코일 하우징(44)이 있는 일련의 인장 로드를 구비한다. 인장 로드와 채널 하우징은 로터 동작 도중 코일 권선에 손상을 주는 것을 방지하고, 원심력 및 다른 힘에 대하여 코일 권선을 지지하며, 코일 권선에 보호 차폐체를 제공한다.
HTS 코일 권선(34)의 기본 하중은 로터 회전 동안 원심 가속도에서 기인한다. 효과적인 코일 지지 구조체는 원심력에 반작용할 필요가 있다. 코일 지지체는 대부분의 원심 가속도를 경험하는 코일의 측면 섹선(40)을 따라서 요구된다. 코일의 측면 섹션을 지지하기 위해, 인장 로드(42)는 코일의 섹션 사이에 걸쳐 있고 코일의 대향 측면 섹션을 파지하는 코일 하우징(44)에 부착된다. 인장 로드(42)는 로터 코어내에서 도관(46), 즉 개구를 통해 연장되어, 로드는 동일 코일의 측면 섹션 사이에 또는 인접한 코일 사이에 걸칠 수 있다.
도관(46)은 직선 축선을 갖는 로터 코어내의 대체로 원통형인 통로이다. 도관의 직경은 로터의 오목면 부근의 단부를 제외하고는 실질적으로 일정하다. 단부에서, 도관은 로터 코어와 인장 로드사이에 슬라이드 가능한 지지 표면과 단열을 제공하는 비전도성의 원통형 절연 튜브(52)를 수용하도록 보다 큰 직경으로 확대될 수 있다.
도관(46)의 축선은 대체로 레이스트랙 코일에 의해 규정되는 평면내에 있다. 또한, 도관의 축선은 도관을 통해 연장되는 인장 로드가 연결되는 코일의 측면 섹션에 수직이다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 실시예에 있어서, 도관은 로터 축선에 직교하며 교차한다. 도관의 수와 도관의 위치는 HTS 코일의 위치와 코일의 측면 섹션을 지지하기 위해 필요한 코일 하우징의 수(도 3 및 도 4 참조)에 따를 것이다.
인장 로드가 코일 권선의 측면 사이에서 실질적으로 반경방향으로 연장되므로 인장 로드는 원심력에 대하여 코일을 양호하게 지지한다. 각 인장 로드는 로드의 종방향을 따라서 레이스트랙 코일의 평면내에서 연속인 샤프트이다. 인장 로드가 종방향으로 연속되므로 로터에 동역학적 장점을 제공하는 측방향 강성이 코일에 제공된다. 더욱이, 측방향 강성이 코일 지지체를 코일과 통합시키므로 코일은 최종 로터 조립 전에 코일 지지체와 조립될 수 있다. 코일과 코일 지지체의 사전 조립이 생산 사이클을 감소시키고, 코일 지지체의 품질을 향상시키며, 코일 조립체의 변동성을 감소시킨다. 레이스트랙 코일은 코일의 긴 쪽에 걸쳐있는 인장 부재의 열에 의해 지지된다. 인장 로드 코일 지지 부재는 코일에 사전 조립된다.
HTS 코일 권선 및 구조적 지지 구성요소는 모두 저온 온도에 있다. 이와는 달리, 로터 코어는 주위가 "고온" 온도에 있다. 코일 지지체는 열이 로터 코어로부터 HTS 코일에 도달하게 하는 열 전도의 잠재적 공급원이다. 로터는 작동 도중 고온이 된다. 코일 권선이 초저온 상태에서 유지되어야 하므로, 코일로의 열 전도는 방지되어야 한다. 로드는 로터내에서 개구, 즉 도관을 통해 연장되나 로터와 접촉하지는 않는다. 이처럼 접촉하지 않기 때문에 로터로부터 인장 로드 및 코일로의 열의 전도가 방지된다.
코일로부터의 열 누설을 감소시키기 위해, 코일 지지체는 로터 코어와 같은 열원으로부터의 지지체를 통한 열 전도를 감소시키기 위해 최소로 된다. 일반적으로, 초전도 코일 권선용의 두 가지 범주의 지지체, 즉 ① "웜(warm)" 지지체와 ② "콜드(cold)" 지지체가 있다. 웜 지지체에 있어서, 지지 구조체는 냉각된 SC 코일 권선으로부터 단열된다. 웜 지지체에 따르면, 초전도(SC) 코일의 대부분의 기계적 하중은 콜드 부재로부터 웜 부재 까지 놓인 구조 부재에 의해 지지된다
콜드 코일 지지 시스템에 있어서, 지지 시스템은 SC 코일의 콜드 저온에 또는 그 부근에 있다. 콜드 지지체에 있어서, SC 코일의 대부분의 기계적 하중은 저온에 또는 그 부근에 있는 구조 부재에 의해 지지된다. 본 명세서에 개시된 예시적인 코일 지지 시스템은 인장 로드를 SC 코일 권선에 결합하는 인장 로드 및 연관된 코일 하우징(44)이 저온에서 또는 그 부근에서 유지되는 콜드 지지체이다. 지지 부재가 콜드이기 때문에, 이들 부재는 예를 들어 로터 코어를 관통하는 비접촉 도관에 의해 로터의 다른 "고온" 구성요소로부터 단열된다
개별 지지 부재는 인장 로드(42)(바와 바의 단부에서의 한 쌍의 볼트일 수 있음), 한 쌍의 코일 하우징(44) 및 각 하우징을 인장 로드의 단부에 연결하는 다월 핀(80)으로 이루어진다. 각 코일 하우징(44)은 코일 권선(34)을 수용하기 위해 인장 로드와 채널에 연결되는 레그를 갖는 U자형 브래킷이다. U자형 하우징이 코일용 지지 구조체의 정밀하고 편리한 조립을 가능하게 한다. 일련의 코일 하우징이 코일 권선의 측면을 따라서 단부 사이에 위치될 수 있다. 코일 하우징은 코일상에 작용하는 힘, 즉 원심력을 실질적으로 각 코일의 전체 측면 섹션(40) 위에 집합적으로 분산시킨다.
코일 하우징(44)은 코일의 측면 섹션(40)이 원심력 때문에 과도하게 휘어지거나 구부러지는 것을 방지한다. 코일 지지체는 가스 터빈의 정상 시동/정지 동작 도중 발생하는 종방향의 열 팽창 및 수축을 제한하지 않는다. 특히, 열 팽창은 주로 측면 섹션의 길이를 따라서 지향된다. 따라서, 코일의 측면 섹션은 채널 하우징과 인장 로드에 대하여 종방향으로 약간 미끄러진다.
코일 지지체로부터 지지 로드로의 원심 하중의 전달은 코일 외측 표면과 직선의 측면 섹션 둘레에 끼워진 코일 하우징을 통과해, 핀(80)에 의해 인장 로드의 큰 직경의 단부로 이어진다. U자형 코일 하우징(44)은 저온 온도에서 연성인 경량이고 고강도인 재료로 형성된다. 채널 하우징에 대한 전형적인 재료는 비자성인 알루미늄, 인코넬 또는 티타늄 합금이다. U자형 하우징의 형상은 중량과 강도가 낮도록 최적화될 수 있다.
다월 핀(80)은 코일 하우징과 인장 로드내의 개구를 통해 연장된다. 다월은 저중량을 위해 중공일 수 있다. 로킹 너트(도시되지 않음)가 U자형 하우징을 고정하고 하우징의 측면이 하중 하에서 벌어지지 않도록 나사 체결되거나 또는 다월 핀의 단부에 부착된다. 인장 로드는 그 단부에서 U자형 하우징과 코일 폭에 맞도록 2개의 편평부(도시되지 않음)로 가공된 큰 직경의 단부(도시되지 않음)를 갖도록 제조된다. 로드, 코일 및 하우징이 서로 조립될 때, 인장 로드의 편평한 단부가 HTS 코일의 내측 표면과 접한다. 이러한 조립이 다월을 수용하는 인장 로드내의 구멍에서의 응력 집중을 감소시킨다.
인장 로드(42), 코일 하우징(44) 및 분할 클램프(58)의 코일 지지 시스템과 HTS 코일 권선(34)은 양자 모두 로터 코어(22)상에 장착되므로 함께 조립될 수 있다. 인장 로드, 하우징 및 클램프가 코일 권선을 지지하고 코일 권선을 로터 코어에 대하여 적소에 유지하기 위한 상당히 견고한 구조체를 제공한다.
각 인장 로드(42)는 로터 코어를 통해 연장되며, 로터의 축선(20)을 통해 직각으로 연장될 수 있다. 로터를 관통하는 도관(46)이 인장 로드가 관통하여 연장되는 통로를 제공한다. 도관의 직경은 충분히 커서 도관의 고온의 로터 벽이 차가운 인장 로드와 접촉하는 것을 피할 수 있다. 접촉이 방지되므로 인장 로드와 로터 코어 사이의 단열이 향상된다.
로터 코어(22)는 통상 철과 같은 자성 재료로 제조되지만, 로터 단부 샤프트는 통상 스테인리스강과 같은 비자성 재료로 제조된다. 로터 코어 및 단부 샤프트는 통상 서로 조립되고 볼트 체결 또는 용접에 의해 확실히 연결되는 별개의 요소이다.
철 로터 코어(22)는 대체로 스테이터(12)의 로터 공동(16)내에서 회전하기에 적합한 원통형 형상을 갖는다. 코일 권선을 수용하기 위해, 로터 코어는 편평하거나 삼각형 영역 또는 슬롯과 같은 오목면(48)을 갖는다. 이들 오목면(48)은 원통형 코어의 만곡면내에 형성되고 로터 코어를 가로질러 종방향으로 연장된다. 코일 권선(34)은 오목면(48) 부근의 로터상에 장착된다. 코일은 대체로 오목 영역의 외면을 따라서 로터 코어의 단부 둘레로 종방향으로 연장된다. 로터 코어의 오목면(48)은 코일 권선을 수용한다. 오목 영역의 형상은 코일 권선의 형상에 따른다. 예를 들면, 코일 권선이 새들 형상 또는 임의의 다른 형상을 갖는다면, 로터 코어내의 오목부는 코일 권선의 형태를 수용하도록 구성될 것이다.
오목면(48)은 코일 권선의 외면이 로터의 회전에 의해 규정되는 봉합체로 실질적으로 연장되도록 코일 권선을 수용한다. 회전될 때 로터 코어의 외측 만곡면(50)은 원통형 봉합체를 규정한다. 이러한 로터의 회전 봉합체는 스테이터내의 로터 공동(16)(도 1 참조)과 실질적으로 동일한 직경을 갖는다.
로터 봉합체와 로터 공동(16) 사이의 갭은, 로터가 어떠한 통풍 냉각도 필요로 하지 않기 때문에, 스테이터만의 강제 유동 통풍 냉각에 대하여 요구되는 바와 같이, 비교적 작은 간극이다. 로터와 스테이터 사이의 간극은 로터 코일 권선과 스테이터 코일 권선 사이의 전자기 커플링을 증가시키도록 최소로 하는 것이 바람직하다. 더욱이, 로터 코일 권선은 로터에 의해 형성되는 봉합체까지 연장되어 로터와 스테이터 사이의 간극 갭에 의해서만 스테이터로부터 분리되는 것이 바람직하다.
코일 권선(34)의 단부 섹션(54)은 로터 코어의 대향 단부(56) 부근에 있다. 분할 클램프(58)가 로터내의 코일 권선의 각 단부 섹션을 유지한다. 각 코일 단부 섹션(54)에서의 분할 클램프는 코일 권선(34)이 협지되는 한 쌍의 대향 플레이트(60)를 구비한다. 클램프 플레이트의 표면은 코일 권선과 권선으로의 전기적 접속부(79)를 수용하는 채널(도시되지 않음)을 구비한다.
분할 클램프(58)는 알루미늄 또는 인코넬 합금과 같은 비자성 재료로 형성될 수 있다. 동일하거나 또는 유사한 비자성 재료가 인장 로드, 채널 하우징 및 다른 코일 지지 시스템의 다른 부분을 형성하도록 사용될 수 있다. 코일 지지 시스템은, 강자성 재료가 퀴리 천이 온도 아래의 온도에서 취성이 되어 하중 지지 구조로서 사용될 수 없으므로, 저온 온도에서의 연성을 보존하도록 비자성인 것이 바람직하다.
분할 클램프(58)는 칼라(collar)(62)에 의해 둘러싸이나 칼라(62)와는 접촉하지 않는다. 도 3에는 단지 하나의 칼라만이 도시되어 있지만, 로터 코어(22)의 각 단부에 칼라(62)가 있다. 칼라는 스테인리스강과 같은 비자성 재료의 두꺼운 디스크이며, 로터 단부 샤프트를 형성하는 재료와 동일하거나 유사하다. 실제로, 칼라는 로터 샤프트의 일 부분이다. 칼라는 로터 축선에 수직이고 충분이 넓어서 분할 클램프(58)를 수용하고 제거할 수 있는 슬롯(64)을 갖는다. 슬롯 칼라의 고온의 측벽(66)은 차가운 분할 클램프와 이격되어 있어 이들은 서로 접촉하지 않는다.
칼라(62)는 로터 코어의 볼록한 디스크 영역(70)(대향 칼라내에 삽입되는 볼록한 디스크 영역에 대한 로터 코어의 대향 측면 참조)을 수용하기 위한 오목한 디스크 영역(68)[슬롯(64)에 의해 양분되어 있음]을 구비한다. 로터 코어의 단부(56)상의 볼록한 디스크 영역을 오목한 디스크(70)내로 삽입함으로써 칼라내의 로터 코어에 대한 지지가 제공되고, 로터 코어와 칼라를 정렬하는데 도움이 된다. 또한, 칼라는 칼라를 통해 칼라의 림 둘레로 종방향으로 연장되는 볼트 구멍(72)의 원형 열을 가질 수 있다. 이들 볼트 구멍은 로터 코어를 통해 부분적으로 연장되는 대응하는 나사 볼트 구멍(74)과 상응한다. 나사 볼트(75)(도 5 참조)는 이들 종방향 볼트 구멍(72, 74)을 통해 연장되며, 칼라를 로터 코어에 고정한다.
전기 및 냉각 유체 도관은 로터 축선을 따라서 코일 단부 섹션(54)의 하나로부터 칼라(62)를 통해 연장되는 얇은 벽의 튜브(76)에 의해 차폐된다. 튜브(76)내의 냉각 도관은 코일 권선상의 유체 냉각 통로(38)의 공급 및 배출 포트(39, 41)와 저온 이송 커플링(26)에 연결되어 있다. 코일에 대한 전기 커플링(79)이 냉각 이송 커플링(26)과 같은 코일의 단부 섹션에 제공된다.
로터 코어는 초전도 코일 권선(34)을 로터를 둘러싸는 와전류 및 다른 전류로부터 보호하고 로터의 저온 요소 둘레에 강한 진공을 유지하기 위해 필요한 진공 봉합체를 제공하는 금속 원통형 차폐체(90)내에 봉합된다. 원통형 차폐체(90)는 구리 합금 또는 알루미늄과 같은 고전도성 재료로 형성될 수 있다.
SC 코일 권선(34)이 진공내에 유지된다. 진공은 코일과 로터 코어 둘레에 진공 용기를 형성하는 스테인리스강의 원통형 층을 구비할 수 있는 차폐체(90)에 의해 형성될 수 있다.
차폐체(90)가 격자 결함 조건이 발생할 때 일어날 수 있는 큰 반경방향의 힘에 저항하는 것을 보조하기 위해 지지 브래킷(124)이 제공된다. 반경방향 지지체는 코일 권선의 측면 섹션(40) 둘레에 끼워지고 분할 클램프(58) 위로 연장되는 사각형 박스일 수 있다. 지지 브래킷은 오목면내에서 슬롯으로 더브테일(dovetail) 가공된 한 쌍의 측면을 구비한다. 측벽은 로터 코어 오목면(48)으로부터 차폐체(90)까지 연장되며 쉘에 구조적 강도를 제공한다.
도 7 내지 도 10은 로터용 전자기 차폐체의 다른 실시예의 단면도이다. 전자기(EM) 차폐체의 제 1 실시예에 있어서, 차폐체는 로터 코어(22)를 둘러싸는 원통형 구리 합금이다. 차폐체의 단부는 스테인리스강의 링에 납땜(brazing) 된다. 구리 차폐체와 스테인리스강 링 사이의 남땜된 연결부는 노내 납땜(furnace brazing) 될 수도 있다. 변형예로서, 납땜은 맞대기 납땜(butt-braze) 또는 스카프 이음 납땜(scarf-joint braze). 스테인리스강 링은 로터의 칼라에 부착, 즉 용접된다.
도 9에 도시된 제 2 실시예에 있어서, 원통형 구리 차폐체(96)는 로터 본체와 칼라의 쌍의 적어도 일부를 덮는다. 구리 차폐체(96)는 차폐체를 칼라에 연결하기 위해 볼트(98)를 사용하여, 칼라에 부착된다. 또한, 스테인리스강 진공 용기(100)가 구리 차폐체의 내부에 끼워진다. 스테인리스강 실린더는 로터 코어와 SC 코일 권선 둘레에 진공 용기를 형성한다. 스테인리스강 진공 용기는 구리 차폐체에 납땜될 수 있다.
도 10에 도시된 또 다른 EM 차폐체 실시예에 있어서, EM 차폐체는 구리 합금 또는 알루미늄으로 형성된 전도성 실린더(102)이다. 실린더는 전자기 차폐체를 제공하며 SC 로터 코일 권선에 대한 진공 용기로서 작용한다. 차폐체의 내측 표면은 칼라의 에지 부근에서 환상 림(104)을 가질 수 있다. 칼라와 림 사이의 탄성 O-링(106)이 림 둘레에 진공을 유지하기 위해 기밀한 시일을 제공한다. 차폐체는 칼라에 볼트 체결될 수 있다.
내부 EM 차폐체를 갖는 외부 진공 차폐체가 도 11에 도시되어 있다. 원통형 구리 합금 EM 차폐체(108)가 로터 코어(22)와 칼라(62)를 둘러싼다. EM 차폐체는 칼라(62)에 볼트(98)로 체결될 수 있다. 원통형 스테인리스강 진공 용기(109)가 EM 차폐체(108)를 둘러싸며 EM 차폐체의 외측 표면에 적층될 수 있다.
로터 코어를 칼라에 부착하는 볼트(75)는 HTS 로터의 진공에 공기가 누설되는 잠재적인 경로가 된다. 이러한 공기 누설이 볼트를 통해 로터로 들어가는 것을 방지하기 위해, 스테인리스강 진공 차폐체(110)가 칼라의 외부상의 볼트 구멍 위에 용접된다. 이들 진공 차폐체(110)는 이들이 볼트를 빼내고 로터를 분해하기 위해 쉽게 제거될 수 있도록 용접된다. 로터 볼트용의 진공 차폐체는 칼라내의 볼트 구멍을 덮는 링일 수 있다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실실예로 고려되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위의 정신내에 속하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명에 따른 동기 기계용 로터와 초전도 코일 권선 차폐 방법에 의하면, 동기 기계내의 로터 계자 권선 코일내로 일시적 자기장이 침투하여 상당한 토크가 발생하는 것과 초전도성을 잃게 하는 문제 등을 해결하여 외부적 변동을 감소시킬 수 있어 코일 지지 구조체를 최소로 하는 것이 가능하며 로터를 차폐시킴으로써 스테이터의 자속이 로터에 침투하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (21)

  1. 동기 기계(10)용 로터에 있어서,
    로터 코어(22)와,
    상기 로터 코어의 적어도 일부의 둘레로 연장하고, 상기 로터 코어의 대향 측면상에 한 쌍의 측면 섹션(40)을 갖는 초전도 코일 권선(34)과,
    상기 로터 코어 둘레에서 상기 코일 권선을 덮는 전도성 차폐체(90)와,
    상기 로터 코어의 각 단부에 부착된 칼라(62)를 포함하며,
    상기 전도성 차폐체가 상기 칼라에 부착되는
    동기 기계용 로터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 차폐체(90)는 상기 로터 코어와 동축인 실린더인
    동기 기계용 로터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 차폐체에 적층되어 상기 로터 코어를 둘러싸는 진공 용기(100)를 더 포함하는
    동기 기계용 로터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 차폐체는 상기 로터 코어 둘레의 실린더이며, 상기 로터는 상기 전도성 차폐체와 동축인 원통형 진공 용기(100)를 더 포함하는
    동기 기계용 로터.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    각각의 칼라는 상기 로터 코어와 동축인 스테인리스강 링을 갖고, 상기 전도성 차폐체는 원형 단부(92)를 가지며, 상기 전도성 차폐체의 각 단부는 상기 각 칼라에서 상기 링에 부착되는
    동기 기계용 로터.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 차폐체는 상기 코일 권선 위에 진공 용기를 추가로 형성하는
    동기 기계용 로터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 칼라의 볼트 구멍 위에 있고, 상기 로터 코어로 종방향으로 연장되는 전도성 차폐체(110)를 더 포함하는
    동기 기계용 로터.
  13. 동기 기계(10)의 로터 코어(22)상의 초전도 코일 권선(34)을 차폐하는 방법에 있어서,
    상기 코일 권선과 로터 코어를 조립하는 단계와,
    상기 로터 코어의 단부를 상기 로터 코어와 동축으로 정렬된 단부 샤프트의 칼라(62)에 부착하는 단계와,
    전도성 차폐체(90)를 상기 로터 코어의 둘레에 설치하는 단계를 포함하며,
    상기 전도성 차폐체는 각각의 상기 칼라와 중첩되는
    초전도 코일 권선 차폐 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 동기 기계(10)용 로터(14)에 있어서,
    상기 로터의 종방향 축선(20)에 수직인 도관(46)을 갖는 로터 코어(22)와,
    상기 로터의 종방향 축선에 평행한 평면의 레이스트랙 형상인 레이스트랙형 초전도(SC) 코일 권선(34)과,
    상기 로터 코어의 도관 내부의 인장 로드(42)와,
    상기 코일 권선을 상기 인장 로드에 결합시키는 하우징(44)과,
    상기 로터 코어 둘레의 전자기 차폐체(90)를 포함하는
    동기 기계용 로터.
  20. 삭제
  21. 삭제
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